苹果分级机分级装置的设计

本 科 毕 业 论 文（设 计）题目：苹果分级机分级装置的设计学指所专年生导在姓教学名师院业级毕业论文(设计)开题报告课题名称：学生姓名：学 号：学 院：专业、年级：指导教师：职 称：苹果分级机分级装置的设计毕业论文(设计)起止时间：一、课题来源的项目名称及项目来源项目名称：苹果分级机分级装置的设计项目来源：二、课题的立项依据（一）选题背景和研究意义我国是苹果生产大国，苹果总量跃居世界第一位，而且品种丰富。但目前我国的苹果产后商品化处理的水平仍很低，在国际市场上竞争力很弱。目前国内外研究比较多的是农产品的品质检测。在苹果品质检测方面，国外除了进行外部品质（如大小、形状、颜色、表面缺陷等）检测外，还进行其内部品质的无损检测，有些检测项目已经商品化，且能达到实时速度。在国内，苹果的品质检测研究从90 年代才开始，仅停留在外部的品质检测上，且远没达到实时检测分级的水平，我国苹果的生产在整个农产品的生产中占有很大的比例，是重要的外贸出口产品。但由于生产后处理不够，使得外销苹果的品质难以保证，在国际市场上缺乏竞争力。其原因首先是检测与分选的手段落后。在我国，苹果分级基本上仍由人工完成。人工分级的缺点主要有：劳动量大，生产率低，分级标准难以实现，分级精度不稳定。因为在苹果分级标准中，着色面积和缺陷面积的度量，仅凭人的视觉难以精确区分，且人长时间用眼，会造成疲劳及情绪的不稳定，从面造成分级误差的波动，其次，苹果的内部品质缺乏检测手段，使苹果的内外品质无法保证。因此，研究和开发苹果自动实时分级系统，选出高质量的苹果，为国家创取外汇，在我国具有重要的经济价值和广阔的应用前景1。随着果品贮藏加工业的发展和人们生活水平的提高，对水果质量的要求越来越高，水果采后处理工作显得日益重要，而采后处理工作时效性强，作业质量标准高，因此，实现机械化、自动化作业势在必行。水果采后商品化处理的主要技术环节包括挑选、清洗、打蜡、分级和包装。挑选是水果采后处理的第一个环节。目的是剔除有机械伤、病虫危害、着色度不够、外观畸形等不符合商品要求的产品，以利于下一步的分级、包装和贮运。挑选由于涉及到病虫、伤、残、色、畸形等多项指标，综合判断较复杂，目前还难做到机械化操作，所以无论是技术先进的国家还是发展中国家，基本靠手工完成，但必须根据不同水果的特点制定相应的标准清洗是商品化处理中的重要环节，是采用浸泡、冲洗、喷淋等方式水洗或用干（湿）毛巾、毛刷等清除果品表面污物，减少病菌和农药残留，使之清洁、卫生，符合商品要求和卫生标准，提高商品价值。打蜡（涂膜）是在果品表面涂上一层薄而均匀的透明薄膜，也称涂膜。涂膜多用于苹果、柑桔、油桃、李子等。经涂膜处理后，不仅可抑制水果的呼吸、减少水分蒸发和营养物质消耗，还可抑制病原菌侵染、减少腐烂，而且还可以增进果品表面光泽，使外皮洁净、美观、漂亮，提高商品价值。分级的目的是要实现农业产品的工业化，使果品成为标准化的商品。不同果品的分级，各个国家和地区都有各自的分法和标准，我国现有16 个果品分级标准，其中苹果、梨、香蕉、龙眼、核桃、板栗、红枣已制定了国家标准。此外还制定了一些行业标准。随着生产的发展、品种的更新以及市场的要求，标准还应不断修订和完善。良好的包装，可以保证产品安全运输和贮藏、减少产品间的磨擦、碰撞和挤压造成的机械伤，减少病虫害的蔓延和水分蒸发，使水果在流通中保持良好的稳定性。设计精美的包装也是商品的重要组成部分，是贸易的辅助手段，为市场交易提供标准规格单位，并有利于充分利用仓储空间和合理堆放。水果分级是水果进入流通的第一个环节，并直接关系到水果的包装、运输、贮藏和销售的效果和效益。果树果实有优劣之分，形状、大小、着色程度等也不完全一致，甚至还有风蚀、病虫害等，采后如混在一起既不便于贮藏运输，也不便以质论价销售。在市场商品经济高度发达的今天，异地销售大宗农产品交易和农产品国际贸易等均离不开标准化，而今水果分级就是实现水果商品标准化的最基础的一步2。在作物生产和科研中，大量的工作而借助于对形态、色泽、纹理等外部特征的判断，如作物生长状况监测、形态识别与分类、病虫草害诊断等。对这些特征信息的获取目前主要靠人工记数、测量和目测。存在着速度馒、强度大、主观性强、误差大、适时性差等缺陷。且一些特征还难以定量描述，制约了作物科学研究和生产上因苗分类管理及先进生产技术的推广，是实现农业信息化迫切需要研究和解决的问题。近年，随着信息技术的飞跃发展和计算机普及图像技术及机器(计算机)视觉技术已被广泛应用于多个学科，在作物领域也已取得许多进展并展示了广阔的应用前景。分级的目的是要实现农业产品的工业化，使果品成为标准化的商品。不同果品的分级，各个国家和地区都有各自的分法和标准，我国现有 16 个果品分级标准，其中苹果、梨、香蕉、龙眼、核桃、板栗、红枣已制定了国家标准。此外还制定了一些行业标准。随着生产的发展、品种的更新以及市场的要求，标准还应不断修订和完善。因此，水果分级有着很强的重要性。该系统依据规定的质量品质分类标准，自动完成苹果的等级分类。该分组系统具有以下意义：降低劳动者的劳动强度；提高劳动生产率；提高产品分类质量；降低生产成本。（二）国内外研究现状及发展趋势1、国外研究现状国外在最初的果蔬自动分级方法主要是通过相机进行拍照和分析，集合了图像处理技术，计算机软件分析技术，无损检测技术，传感器技术等一系列的方法对果蔬的分级设计方案做贡献。国外目前的状况是，他们对于基于视觉系统的果蔬分拣比较感兴趣，除了利用信息处理技术以外，他们还积极地利用红外线检验等物理检验的先进光谱技术来进行水果的无损检测。 国外利用核磁共振3，X射线，热红外线等先进的技术来检测蔬果的成熟度和是否有损伤，工程师们利用 X射线可以识别出水果的核内是否变质，同时利用 X 射线还可以计算出苹果的损伤程度。比如国外的科学家利用单脉冲核磁共振来对梨子进行分级。像这样的分级方法不但能够准确的测出梨子的成熟度，还能检测损伤的新旧程度。实验表明了，在水果损伤了几分钟之内，擦伤处和正常部位存在很大的温差，热成像技术能够准确的进行检测。国外 50%以上的水果实现了分级的完全自动化。近年，随着信息技术的飞跃发展和计算机普及。图像技术及机器(计算机)视觉技术已被广泛应用于多个学科，在作物领域也已取得许多进展，并展示了广阔的应用前景。目前较先进的微机控制的重量分级机，采用最新电子仪器测定重量，可按需选择准确的分级基准，分级精度高，使用特别的滑槽，落差小，水果不受冲击、不损伤。分级、装箱所需时间为传统的 1/2。日本消费者对水果的消费是非常挑剔的，其水果上市前都要经过分级包装。有些价值较高的水果，如冬季上市的西瓜要在标签上标出糖度数值。目前，在日本许多高新技术在水果检测领域得到应用。计算机技术、无损伤检测技术以及自动化控制技术的发展为现代分级检测技术提供了广阔的空间，使分级检测技术正在由半自动化向全自动化、外部品质检测向内部品质检测、复杂化向简单化和方便化、规格标准的文字化向数字化、机械设备结构的复杂化向简单化、数据化的人工管理向计算机管理方向转化。在意大利的果品贮藏加工业生产中，使用颜色分级机较早，主要是对苹果进行颜色分级，其原理是按照绿色苹果比红色苹果的反射光强的道理进行的。工作时，果实在松软的传送带上跳跃移动，光线可照射到水果的大多部位，这样就避免了水果单面被照射。反射光传递给电脑，由电脑按照反射率的不同来将果实分开，一般分为全绿果、半绿（半红）果、全红果等级别。美国 Penwalt 公司 Decco 型分级机是一种新型果实分级机，具有速度快、性能好、通用性强的特点。它根据“体积”分级的原理进行工作，综合了大小和重量分级机最突出的优点，同时消除了二者的缺点，使分级作业真正得以柔和平缓地进行。Decco 分级机工作原理是：提升机辊子将待分级的果实送入四星装料斗，星轮与提升机以链条驱动的各对定距辊子同步，辊子承载水果通过分级全程，这样的装置，星轮可以很柔和地将水果从提升机传送到由一对滚子形成的凹槽中。根据选用分级机规格的不同，分级部分包括 6-9 行高度可调的“摩擦指” ，滚子从摩擦指下通过，缓缓地作反时针回转，水果则作顺时针转动，当水果遇到摩擦指（最大的水果首先接触摩擦指） ，由于转动与摩擦的组合，水果极柔和地从滚子上移动并落入弹性的摆动活动门上，水果自重足够使其滑出并滚到输送皮带上，然后由皮带送入包装槽中。由于水果没有摔落，也没有其他任何典型的引起损伤的动作，分级柔和。水果分级只有综合形状、大小、色泽、果面缺陷等各种因素，甚至是内部品质，才能排除其他因素，使分级质量得到保证4。法国的 MAF France 公司的水果分级包装设备，不仅能对果蔬进行分级包装，还可以利用电子、光学原理对果蔬表皮的瑕疵进行分选，全电脑监控，自动化程度相当高。2、国内发展状况回到国内，我国的水果自动分级机设计和研究起源于上世纪 90 年底后期，而且也是主要集中在水果外在品质检测方面。由于我国先进技术的限制，我们利用高科技的成像技术来针对水果的内部品质检测并不多。因此，我们目前的对水果分级的方法还是最简单的基于重量和大小的初步分级。比如本课题是基于重量分级的，原理如下：我们在分级出口处所对应的导轨上安装可以往复运动的挡板，同时将挡板固定在电磁铁上，通过 PLC 电磁铁的动作控制挡板来回移动。当电磁铁上电时，电磁铁带动挡板朝远离托盘方向运动，使导轨上出现缺口，托盘中的苹果经过缺口处时，自动掉落到分级框内。分级操作过程如下：苹果经称重传感器称重后，电压比较器控制系统判断其等级，确定其分级出口。然后经链输送到其分级出口。在正常输送过程中，托盘左端在导轨的挡板作用下保持水平平衡。当苹果输送到其等级出口时，PLC 控制系统就发出信号使电磁铁上电，控制活动挡板作直线往返运动，使导轨上出现缺口，此时正好运动到该托盘的位置，此时苹果在重力作用下，托盘会自动倾斜，苹果将滚入相应分级出口，实现了分级的目的。5我国国内的自动分级设备基本还处于实验室阶段6 。目前我们国家在进行水果分级的时，很多时候是买国外的技术和设备，但是我们没有考虑到，国外的技术是正对他们自己的大农场的模式来设计和开发的，但是对我们来说，这样的技术并不是合理的。同时，我国农业大学的籍保平教授带领的专家学者团队，就中国水果生产的现状，开发出了一条基于水果视觉分级系统，这套系统可以同时对水果的外部缺陷，颜色，大小和形状进行检测。我们在处理数据的时候，利用了数学工具，在水果的大 小、颜色的处理中采取了简单的算法，因此提高了分级速度。相对于国外的分级水平，国内水果分级市场比较落后。国内水果分级大部分还采用人工分级方法，只有少数企业采用半自动及自动化水果分级。虽然我国水果分级现状不容乐观，但也有一些企业的研究得到成功，浙江大学果蔬智能化分级技术与装备课题组经过近 10 年的研究积累，在国家“863”计划 国家自然科学基金和浙江省科技计划的支持下，与杭州杭挂机电有限公司合作于 2004 年研制成功国内第一条完全拥有自主知识产权的基于计算机视觉的水果品质智能化实时检测与分级生产线。项目至今已获国家发明专利 2 项、授权计算机软件著作登记 2 项、授权国家实用新型专利 8 项，另有国家发明专利 10 项待批。2004 年 6 月 16 日，顺利通过国家 863 计划机器人技术主题专家组的验收。2004 年 12 月 28 日，销往广东梅县的第一条生产线在当地正式调试成功，并投入正常生产用于当地特色水果脐橙的品质检测和分级，其工作性能得到用户的高度评价。 2005 年 4 月 29 日，由中国工程院汪懋华院士、蒋亦元院士等 8 位本领域的权威专家组成的鉴定委员会，对本生产线进行了鉴定，专家们对这一成果给予了高度评价：总体技术水平达到国际同类产品的先进水平，多项技术处于国际领先水平。日前，江苏省自主研制生产的电脑控制全自动水果分级流水生产线在陕西成功运行，并通过国家一级科技查新，填补了国内果品加工生产机械的空白7。该生产线由江苏牧羊集团研制，采用水果品质视觉系统测与分级，每条生产线每小时能检测分级 25 吨及 3 吨水果，适用于柑橘、胡柚、苹果、西红柿、土豆等多种水果及农产品的快速分级，部分指标达到世界先进水平。为配套新生产线，该集团同时研发出压榨机、榨汁机等饮料机械，以及去核机、打浆机等果汁生产线前处理设备与后道包装设备，具有良好的应用前景。三、主要研究内容、设计思想、发展趋势（一） 研究内容1、苹果分级装置总体设计1）输送系统设计2）传动系统设计3）分级执行机构的设计2、输送系统的设计计算1) 输送链条的选择2）输送链轴的设计3）输送链轮的设计4）输送链的传动机构设计计算3、传动系统的设计计算1）传动链的选择2）传动链轮的选择3）传动链轴的选择4) 减速电机的选择4、分级执行机构的设计1）托盘的设计2）分级装置的设计（二） 苹果分级机分级装置功能要求及基本设计思想技术路线1.调研、查新，获得最新的国内外发展状况。2.综合各方面知识拟定技术方案。3.提出可行方案，方案优选。4.苹果分级机分级装置关键机构的研究分级机构的设计输送机构的设计传动机构设计5.进行专家论证（三） 发展趋势这种苹果分级机，由于机构简单，可行性好，同时在造价上便宜。在减少农民劳动强度上有明显的改善，适时收获苹果避免腐烂，同时能使苹果顺利分级，让农民从苹果的收益中获得更多利益。符合中国十八大让百姓增收的宗旨。（四）拟定的工作进度2013 年 11 月 7 日至 2014 年 3 月 14 日：熟悉课题，收集查阅资料、撰写开题报告、文献综述并完成外文翻译；3 月 15 日至 3 月 28 日：明确设计思路，绘制草图一份；3 月 29 日至 4 月 18 日：完成苹果分级机分级部分机械部分的二维图纸的绘制；4 月 19 日至 5 月 9 日：完善设计图纸；5 月 16 日至 5 月 31 日：整理数据，撰写设计说明书，准备答辩。本科生毕业设计（论文）文 献 综 述题姓学学专班目名号院业级苹果分级机分级装置的设计指 导教师文献综述正文摘要：随着社会消费水平的不断提高，人们在购买苹果时越来越注重苹果的内在品质。商场根据果实的品质进行分级销售已经逐渐成为一种趋势。目前我国出口或内销的苹果分级筛选一般还是采用原产地人工分级方式，效率低、强度大。同时分级销售还能获得更多的利润。因此，本文设计一 种具有无损自动分级功能的苹果分级机，具有十分突出的现实意义。本文设计的苹果分级机主要包括三个部分：苹果输送系统、分级执行系统和传动系统。关键字：苹果分级 输送系统 传动系统 电磁铁 设计一、课题研究的目的和意义我国是苹果生产大国，苹果总量跃居世界第一位，而且品种丰富。但目前我国的苹果产后商品化处理的水平仍很低，在国际市场上竞争力很弱。目前国内外研究比较多的是农产品的品质检测。在苹果品质检测方面，国外除了进行外部品质（如大小、形状、颜色、表面缺陷等）检测外，还进行其内部品质的无损检测，有些检测项目已经商品化，且能达到实时速度。在国内，苹果的品质检测研究从90 年代才开始，仅停留在外部的品质检测上，且远没达到实时检测分级的水平，我国苹果的生产在整个农产品的生产中占有很大的比例，是重要的外贸出口产品。但由于生产后处理不够，使得外销苹果的品质难以保证，在国际市场上缺乏竞争力。其原因首先是检测与分选的手段落后。在我国，苹果分级基本上仍由人工完成。人工分级的缺点主要有：劳动量大，生产率低，分级标准难以实现，分级精度不稳定。因为在苹果分级标准中，着色面积和缺陷面积的度量，仅凭人的视觉难以精确区分，且人长时间用眼，会造成疲劳及情绪的不稳定，从面造成分级误差的波动，其次，苹果的内部品质缺乏检测手段，使苹果的内外品质无法保证。因此，研究和开发苹果自动实时分级系统，选出高质量的苹果，为国家创取外汇，在我国具有重要的经济价值和广阔的应用前景1。随着果品贮藏加工业的发展和人们生活水平的提高，对水果质量的要求越来越高，水果采后处理工作显得日益重要，而采后处理工作时效性强，作业质量标准高，因此，实现机械化、自动化作业势在必行。水果采后商品化处理的主要技术环节包括挑选、清洗、打蜡、分级和包装。挑选是水果采后处理的第一个环节。目的是剔除有机械伤、病虫危害、着色度不够、外观畸形等不符合商品要求的产品，以利于下一步的分级、包装和贮运。挑选由于涉及到病虫、伤、残、色、畸形等多项指标，综合判断较复杂，目前还难做到机械化操作，所以无论是技术先进的国家还是发展中国家，基本靠手工完成，但必须根据不同水果的特点制定相应的标准清洗是商品化处理中的重要环节，是采用浸泡、冲洗、喷淋等方式水洗或用干（湿）毛巾、毛刷等清除果品表面污物，减少病菌和农药残留，使之清洁、卫生，符合商品要求和卫生标准，提高商品价值。打蜡（涂膜）是在果品表面涂上一层薄而均匀的透明薄膜，也称涂膜。涂膜多用于苹果、柑桔、油桃、李子等。经涂膜处理后，不仅可抑制水果的呼吸、减少水分蒸发和营养物质消耗，还可抑制病原菌侵染、减少腐烂，而且还可以增进果品表面光泽，使外皮洁净、美观、漂亮，提高商品价值。分级的目的是要实现农业产品的工业化，使果品成为标准化的商品。不同果品的分级，各个国家和地区都有各自的分法和标准，我国现有16 个果品分级标准，其中苹果、梨、香蕉、龙眼、核桃、板栗、红枣已制定了国家标准。此外还制定了一些行业标准。随着生产的发展、品种的更新以及市场的要求，标准还应不断修订和完善。良好的包装，可以保证产品安全运输和贮藏、减少产品间的磨擦、碰撞和挤压造成的机械伤，减少病虫害的蔓延和水分蒸发，使水果在流通中保持良好的稳定性。设计精美的包装也是商品的重要组成部分，是贸易的辅助手段，为市场交易提供标准规格单位，并有利于充分利用仓储空间和合理堆放。水果分级是水果进入流通的第一个环节，并直接关系到水果的包装、运输、贮藏和销售的效果和效益。果树果实有优劣之分，形状、大小、着色程度等也不完全一致，甚至还有风蚀、病虫害等，采后如混在一起既不便于贮藏运输，也不便以质论价销售。在市场商品经济高度发达的今天，异地销售大宗农产品交易和农产品国际贸易等均离不开标准化，而今水果分级就是实现水果商品标准化的最基础的一步2。在作物生产和科研中，大量的工作而借助于对形态、色泽、纹理等外部特征的判断，如作物生长状况监测、形态识别与分类、病虫草害诊断等。对这些特征信息的获取目前主要靠人工记数、测量和目测。存在着速度馒、强度大、主观性强、误差大、适时性差等缺陷。且一些特征还难以定量描述，制约了作物科学研究和生产上因苗分类管理及先进生产技术的推广，是实现农业信息化迫切需要研究和解决的问题。近年，随着信息技术的飞跃发展和计算机普及图像技术及机器(计算机)视觉技术已被广泛应用于多个学科，在作物领域也已取得许多进展并展示了广阔的应用前景。分级的目的是要实现农业产品的工业化，使果品成为标准化的商品。不同果品的分级，各个国家和地区都有各自的分法和标准，我国现有 16 个果品分级标准，其中苹果、梨、香蕉、龙眼、核桃、板栗、红枣已制定了国家标准。此外还制定了一些行业标准。随着生产的发展、品种的更新以及市场的要求，标准还应不断修订和完善。因此，水果分级有着很强的重要性。该系统依据规定的质量品质分类标准，自动完成苹果的等级分类。该分组系统具有以下意义：降低劳动者的劳动强度；提高劳动生产率；提高产品分类质量；降低生产成本。（二） 国内研究现状1、国外研究现状国外在最初的果蔬自动分级方法主要是通过相机进行拍照和分析，集合了图像处理技术，计算机软件分析技术，无损检测技术，传感器技术等一系列的方法对果蔬的分级设计方案做贡献。国外目前的状况是，他们对于基于视觉系统的果蔬分拣比较感兴趣，除了利用信息处理技术以外，他们还积极地利用红外线检验等物理检验的先进光谱技术来进行水果的无损检测。 国外利用核磁共振4，X射线，热红外线等先进的技术来检测蔬果的成熟度和是否有损伤，工程师们利用 X射线可以识别出水果的核内是否变质，同时利用 X 射线还可以计算出苹果的损伤程度。比如国外的科学家利用单脉冲核磁共振来对梨子进行分级。像这样的分级方法不但能够准确的测出梨子的成熟度，还能检测损伤的新旧程度。实验表明了，在水果损伤了几分钟之内，擦伤处和正常部位存在很大的温差，热成像技术能够准确的进行检测。国外 50%以上的水果实现了分级的完全自动化。近年，随着信息技术的飞跃发展和计算机普及。图像技术及机器(计算机)视觉技术已被广泛应用于多个学科，在作物领域也已取得许多进展，并展示了广阔的应用前景。目前较先进的微机控制的重量分级机，采用最新电子仪器测定重量，可按需选择准确的分级基准，分级精度高，使用特别的滑槽，落差小，水果不受冲击、不损伤。分级、装箱所需时间为传统的 1/2。日本消费者对水果的消费是非常挑剔的，其水果上市前都要经过分级包装。有些价值较高的水果，如冬季上市的西瓜要在标签上标出糖度数值。目前，在日本许多高新技术在水果检测领域得到应用。计算机技术、无损伤检测技术以及自动化控制技术的发展为现代分级检测技术提供了广阔的空间，使分级检测技术正在由半自动化向全自动化、外部品质检测向内部品质检测、复杂化向简单化和方便化、规格标准的文字化向数字化、机械设备结构的复杂化向简单化、数据化的人工管理向计算机管理方向转化。在意大利的果品贮藏加工业生产中，使用颜色分级机较早，主要是对苹果进行颜色分级，其原理是按照绿色苹果比红色苹果的反射光强的道理进行的。工作时，果实在松软的传送带上跳跃移动，光线可照射到水果的大多部位，这样就避免了水果单面被照射。反射光传递给电脑，由电脑按照反射率的不同来将果实分开，一般分为全绿果、半绿（半红）果、全红果等级别。美国 Penwalt 公司 Decco 型分级机是一种新型果实分级机，具有速度快、性能好、通用性强的特点。它根据“体积”分级的原理进行工作，综合了大小和重量分级机最突出的优点，同时消除了二者的缺点，使分级作业真正得以柔和平缓地进行。Decco 分级机工作原理是：提升机辊子将待分级的果实送入四星装料斗，星轮与提升机以链条驱动的各对定距辊子同步，辊子承载水果通过分级全程，这样的装置，星轮可以很柔和地将水果从提升机传送到由一对滚子形成的凹槽中。根据选用分级机规格的不同，分级部分包括 6-9 行高度可调的“摩擦指” ，滚子从摩擦指下通过，缓缓地作反时针回转，水果则作顺时针转动，当水果遇到摩擦指（最大的水果首先接触摩擦指） ，由于转动与摩擦的组合，水果极柔和地从滚子上移动并落入弹性的摆动活动门上，水果自重足够使其滑出并滚到输送皮带上，然后由皮带送入包装槽中。由于水果没有摔落，也没有其他任何典型的引起损伤的动作，分级柔和。水果分级只有综合形状、大小、色泽、果面缺陷等各种因素，甚至是内部品质，才能排除其他因素，使分级质量得到保证。法国的 MAF France 公司的水果分级包装设备，不仅能对果蔬进行分级包装，还可以利用电子、光学原理对果蔬表皮的瑕疵进行分选，全电脑监控，自动化程度相当高。2、国内发展状况回到国内，我国的水果自动分级机设计和研究起源于上世纪 90 年底后期，而且也是主要集中在水果外在品质检测方面。由于我国先进技术的限制，我们利用高科技的成像技术来针对水果的内部品质检测并不多。因此，我们目前的对水果分级的方法还是最简单的基于重量和大小的初步分级。比如本课题是基于重量分级的，原理如下：我们在分级出口处所对应的导轨上安装可以往复运动的挡板，同时将挡板固定在电磁铁上，通过 PLC 电磁铁的动作控制挡板来回移动。当电磁铁上电时，电磁铁带动挡板朝远离托盘方向运动，使导轨上出现缺口，托盘中的苹果经过缺口处时，自动掉落到分级框内。分级操作过程如下：苹果经称重传感器称重后，电压比较器控制系统判断其等级，确定其分级出口。然后经链输送到其分级出口。在正常输送过程中，托盘左端在导轨的挡板作用下保持水平平衡。当苹果输送到其等级出口时，PLC 控制系统就发出信号使电磁铁上电，控制活动挡板作直线往返运动，使导轨上出现缺口，此时正好运动到该托盘的位置，此时苹果在重力作用下，托盘会自动倾斜，苹果将滚入相应分级出口，实现了分级的目的。6我国国内的自动分级设备基本还处于实验室阶段。目前我们国家在进行水果分级的时，很多时候是买国外的技术和设备，但是我们没有考虑到，国外的技术是正对他们自己的大农场的模式来设计和开发的，但是对我们来说，这样的技术并不是合理的。同时，我国农业大学的籍保平教授带领的专家学者团队，就中国水果生产的现状，开发出了一条基于水果视觉分级系统，这套系统可以同时对水果的外部缺陷，颜色，大小和形状进行检测。我们在处理数据的时候，利用了数学工具，在水果的大 小、颜色的处理中采取了简单的算法，因此提高了分级速度。相对于国外的分级水平，国内水果分级市场比较落后。国内水果分级大部分还采用人工分级方法，只有少数企业采用半自动及自动化水果分级。虽然我国水果分级现状不容乐观，但也有一些企业的研究得到成功，浙江大学果蔬智能化分级技术与装备课题组经过近 10 年的研究积累，在国家“863”计划 国家自然科学基金和浙江省科技计划的支持下，与杭州杭挂机电有限公司合作于 2004 年研制成功国内第一条完全拥有自主知识产权的基于计算机视觉的水果品质智能化实时检测与分级生产线。项目至今已获国家发明专利 2 项、授权计算机软件著作登记 2 项、授权国家实用新型专利 8 项，另有国家发明专利 10 项待批。2004 年 6 月 16 日，顺利通过国家 863 计划机器人技术主题专家组的验收。2004 年 12 月 28 日，销往广东梅县的第一条生产线在当地正式调试成功，并投入正常生产用于当地特色水果脐橙的品质检测和分级，其工作性能得到用户的高度评价。 2005 年 4 月 29 日，由中国工程院汪懋华院士、蒋亦元院士等 8 位本领域的权威专家组成的鉴定委员会，对本生产线进行了鉴定，专家们对这一成果给予了高度评价：总体技术水平达到国际同类产品的先进水平，多项技术处于国际领先水平。日前，江苏省自主研制生产的电脑控制全自动水果分级流水生产线在陕西成功运行，并通过国家一级科技查新，填补了国内果品加工生产机械的空白7。 该生产线由江苏牧羊集团研制，采用水果品质视觉系统测与分级，每条生产线每小时能检测分级 25 吨及 3 吨水果，适用于柑橘、胡柚、苹果、西红柿、土豆等多种水果及农产品的快速分级，部分指标达到世界先进水平。（三） 前景展望目前我国的苹果分级还处于起步阶段，与国外还存在较大差距。但是，经过近几年的发展，以及本课题的设计，能使国内的水平与国外差距减少。苹果在进行分级之后，其价值能显著提高，同时能避免被顾客挑拣而损伤。在我国，苹果分级机基本还处于试验阶段，而在市面上的，基本都是国外的技术，或者本身技术就不高，对苹果不能精确分级。因此，综上所述，现在研究的苹果分级机还不晚，能有很大的市场推广性，其前景明朗。对苹果的精确重量分级，使其价值能大大的提高，农民的增收创造良好的条件。三、主要参考文献1叶昱程，应义斌. 水果品质检测与分级技术J. 农机化研究, 2003:22-26.2蒋焕煜,报，2002:21-34.应义斌,等. 果品质智能化实时检测分级生产线的研究J. 农业工程学3李庆中，张漫，汪懋华.基于遗传神经网络的苹果颜色实时分级法J.中国图像图形学学报，2000，5（9）：779784.4李庆中，汪懋华. 基于计算机视觉的水果实时分级技术发展与展望M. 农业机械学报，1999：12-2.5何东健，杨青，薛少平，等.果实表面颜色计算机视觉分级技术研究J.农业工程学报，1998，14（3）：202-205.6 李 光 梅 . 水 果 分 选 机 的 研 究 现 状 与 发 展 状 况 M. 农 机 化 研 究 ，2007(9):20223.A real-timefrom defectsgrading method of apples based on features extractedV. Leemans *, M.-F. DestainUnite de Mecanique et Construction, Gembloux Agricultural University, Passage desDeportes 2, B-5030 Gembloux, Belgium Received 7May 2002; accepted 15 April2003AbstractThis paper presents a hierarchical grading method applied to Jonagold apples. Severalimages covering the whole surface of the fruits were acquired thanks to a prototypegrading machine. These images were then segmented and the features of the defectswere extracted. During a learning procedure, the objects were classified into clustersby k-mean clustering. The classification probabilities of the objects were summarisedand on this basis the fruits were graded using quadratic discriminant analysis. Thefruits were correctly graded with a rate of 73%. The errors were found having originsin the segmentation of the defects or for a particular wound, in a confusion with thecalyx end.2003 Elsevier Ltd. All rights reserved.Keywords: Grading; Classification; Machine vision; Apples1. IntroductionFresh market fruits like apples are graded into quality categories according to theirsize, colour and shape and to the presence of defects. The two first quality criteria areactually automated on industrial graders, but fruits grading according to the presenceof defects is not yet efficient and consequently remains a manual operation,repetitive,expensive and not reliable.The grading of apples using machine vision can bearbitrarily divided into four steps: the images acquisition,their segmentation, theirinterpretation and finally the fruit classification. This paper presents the three formerpoints on the basis of a literature review, the research results being focused on the lastpoint: having extracted data from images acquired on fruits, the paper describes agrading method which was implemented on an existing machine and tested onJonagold apples (bi-colour fruits).1.1. Images acquisitionThe first step consists of acquiring images of the surface of the fruit, while it goesthrough the grading machine. In order to grade apples, two requirements have to bemet: the images should cover the whole surface of the fruit; a high contrast has to becreated between the defects and the healthy tissue, while maintaining a low variabilityfor the healthy tissue.On the common systems, the fruits placed on rollers are rotating while moving.They are observed from above by one camera. In this case, the parts of the fruit nearthe points where the rotation axis crosses its surface(defined as rotational poles) are not observed (Wen &Tao, 1998). This can beovercome by placing mirrors on each side of the fruit lines oriented to reflect the poleimages to the camera. Another system was presented by Guedalia (1997). He usedthree cameras observing the fruit rolling freely on ropes. On more sophisticated15systems, two robot arms were used to manipulate the fruit (Molto, Blasco, & Benlloch,1998). The study stated that it was possible to observe 80% of the fruit surface withfour images, but the classification rate remained limited to 0.25 fruit per second(Molto et al.,1998).The purpose of the lighting system is to provide radiant light with suited spectralcharacteristics and a uniform spatial repar tition. To be independent from theirradiance variations, Yang (1994) used flooding segmentation algorithms. In thedevice presented by Wen and Tao (1998) and Tao and Wen (1999), the light camefrom above the four grading lines. They also developed algorithms to compensate thevariation observed from the centre of the fruit to the boundaries (Tao Wen & Tao, 1998). Miller and Drouillard (1997)and Leemans, Magein, and Destain(1998) used devices elongated along one grading line, equipped with lighting tubes,diffusers and reflectors to provide a uniform irradiance.Molto et al. (1998) described ahemispherical lighting chamber. The fruit was placed at the centre of the chamber andthe light coming from a circular tube was diffused by the inner walls of the chamber.Yang(1993) used a structured lighting combined with a diffuse lighting system to makeclearly visible the calyx or the stem ends of apples.The cameras used by different researchers were mainly charge coupled devices(CC D) cameras. Yang (1993) used monochrome cameras, Wen and Tao (1998)used amonochrome CCD camera equipped with a 700 nm long pass filter, while manyothers acquired colour images (Heinemann, Varghese, Morrow, Sommer, &Crassweller, 1995; Leemans et al., 1998; Molto et al.,1998; Schrevens & Raeymakers,1992; Singh, Delwiche,Johnson, & Thompson, 1992). Guedalia (1997) used threemonochrome cameras with an optical device projecting four times the same viewswith different bandwidths on one CCD. Wen and Tao (2000) combined a near infraredcamera and a mid infrared camera, in order to point the calyx and the stem ends out.Molto, Blasco, and Aleixos (2000) combined a colour and a near infrared camera.1.2. Image segmentationThe images resulting from the previous step present from one to four planes. Thetwo most common configurations are the monochrome images (one plane) and thecolour images (three planes, the red, green and blue channels). The result of the imagesegmentation can be expressed as a monochrome image with the different regionshaving different grey levels. These regions are the background, the healthy tissues ofthe fruits, the calyx and the stem ends and possibly some defects. The contrastbetween the fruit and the background should behigh to simplify the localisation of the fruit. This is usually carried out by a simplethreshold. Nevertheless, as defects or the calyx and the stem ends could presentluminances comparable with the background, Moltoet al. (1998) described the fruit as an ellipse which was the region of interest used forthe defect detection.The next step is the separation of the defects from the healthy tissue. It is alsonecessary to distinguish the defects from the calyx and stem ends, which may presentsimilarities in terms of luminance and shape.16On monochrome images, as described by Yang (1994) and Yang and Marchant(1996), the apple appears in light grey, the mean luminance of the fruit varies with itscolo